Étude de la production naturelle de pigments microbiens à partir de co-produits agro-industriels : des gènes à la diversité microbienne.

Study of the microbial production of natural pigments from agro-industrial co-products : from the genes to the microbial diversity.

• Auteur / Autrice : Mathieu Cassarini
• Direction : Caroline Rémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fractionnement des Agro-Ressources et Environnement (FARE) - INRA UMR A 614 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Aigle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Rémond, Bertrand Aigle, Guillermina Hernandez-Raquet, Sophie Landaud, Efthimia Lioliou, Ludovic Besaury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillermina Hernandez-Raquet, Sophie Landaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Applications industrielles

Biomasse

Utilisation

Tourteaux

Caroténoïdes

Blé -- Applications industrielles

Enzymes -- Applications industrielles

Bioinformatique

Microorganismes -- Biotechnologie

Déchets -- Valorisation

Déchets végétaux

Pigments microbiens

Mots clés libres

Biotechnologie

Microbiologie

Pigments naturels

Lignocellulose

Fractionnement

Métabolites secondaires

Biotechnology

Microbiology

Natural pigments

Lignocellulose

Fractionation

Secondary metabolites

Résumé

Parmi les métabolites secondaires, le marché des pigments naturels est en voie d'expansion. En effet, estimé à 3,5 milliards de dollars en 2018, il devrait atteindre 6,7 en 2026. Les pigments peuvent être extraits à partir de végétaux, d'animaux ou de minéraux, produits par synthèse chimique ou par voie microbienne. L'utilisation de microorganismes confère de nombreux avantages, tels qu'une plus grande vitesse de production, une indépendance vis-à-vis de la saisonnalité, et une extraction facilitée. En plus de leurs propriétés colorantes, différentes bioactivités ont été démontrées pour les pigments microbiens, certains pouvant être bénéfiques pour la santé.À l'heure actuelle, le prix de production des pigments naturels reste élevé, entre-autres dû au prix des sources de carbones utilisées. Des efforts ont cependant été réalisés afin de réduire le coût de production de ces pigments. Dans ce contexte l'utilisation de co-produits agro-industriels, abondamment disponibles et peu onéreux, constitue un intérêt pour la fermentation microbienne. Mais afin de libérer des sources de carbones assimilables par la plupart des microorganismes des prétraitements polluants et coûteux doivent généralement être réalisés. Cela annule ainsi les avantages d'utiliser une biomasse peu coûteuse. Certains microorganismes peuvent cependant utiliser directement la biomasse végétale comme source de carbone. Cette thèse porte sur l'étude de tels microorganismes naturels ayant aussi la capacité de produire des pigments.Dans un premier temps, il a été recherché des candidats producteurs de pigments à partir de souches déjà étudiées. Une analyse bioinformatique d'espèces pigmentées dont le génome était disponible a été réalisée pour chercher de potentielles sécrétions d'enzymes dépolymérisantes. Une fois quatre candidats sélectionnés, produisant chacun un pigment différent, ceux-ci ont été cultivés sur du son de blé. Leurs activités enzymatiques, l'évolution de la composition du substrat, ainsi que la quantité de pigments produite ont été évalués. Certaines données ont indiqué une potentielle préférence pour les protéines du son de blé. Flexirubine, violacéine et caroténoïdes ont été produits à hauteur de 0,15, 1,47 et 0,07 mg/L, respectivement.Le meilleur de ces candidats a ensuite été sélectionné pour envisager une optimisation de sa production de pigment. Il s'agissait de Chromobacterium vaccinii, produisant de la violacéine. Cette souche a été cultivée sur différents constituants des biomasses végétales pris séparément. Il s'est avéré qu'elle se développait sur la fraction protéique de la biomasse végétale. Croissance microbienne et rendement en pigments ont pu être optimisés en sélectionnant des co-produits riches en protéines : les tourteaux de soja et de colza. D'autres paramètres, comme l'ajout du précurseur métabolique de la violacéine, ont été étudiés pour augmenter la production. Un maximum de 80,86 mg/L de violacéine a été atteint.En parallèle, de nouvelles souches pigmentées ont été isolées. Différentes nouvelles espèces ont été découvertes dont une, Streptomyces durocortorensis, a été officiellement reconnue. Pour rechercher de nouveaux pigments, une stratégie OSMAC ("une souche - plusieurs composés") couplée à une analyse bioinformatique prédisant la production éventuelle de métabolites a été réalisée. En cultivant certaines espèces sur différents milieux de cultures, il s'est avéré qu'elles donnaient des colorations différentes. Les pigments en question ont été extraits afin de déterminer leur structure.Cette thèse aura permis d'explorer la diversité microbienne pour connaître de nouveaux producteurs naturels capables d'utiliser les co-produits, ainsi que de nouveaux pigments associés. Une meilleure compréhension aura été faite de leur utilisation de la biomasse. Ce travail donne d'éventuelles pistes pour améliorer croissances et productions, et soulève aussi de nouvelles questions quant à l'utilisation des co-produits.

Among secondary metabolites, the natural pigment market in increasing. Indeed, the market was estimated at 3.5 billion dollars in 2018 and is predicted to reach 6.7 billion dollars in 2026. Pigments can be extracted from minerals, animals or plants, produced by chemical synthesis or by microbial biosynthesis. The use of microorganisms has many advantages, such as a faster production, an independency regarding seasonality, and a facilitated extraction process. Besides their colouring properties, different bioactivities were shown for microbial pigments. Some could for instance benefit health.Nowadays, the production price of natural pigments remains high, in part due to the price of carbon sources that are used. Efforts were made to reduce the production price of those pigments. In this context, the utilization of agro-industrial co-products, cheap and highly available, is a solution for microbial fermentation. However, some costly and sometimes polluting pretreatments must be done in order to liberate carbon sources that can be consummated by microorganisms. This cancels the advantage of using a cheap biomass. Yet, some microorganisms have the ability to directly grow on such substrate. The topic of this thesis is then the study of such natural microorganisms having the ability to produce pigments.First, some candidates were looked from strains already studied. A bioinformatics analysis of pigmented species with an available genome was done in order to look for theoretical depolymerizing and secreted enzymes. Once four candidates selected, each producing a different type of pigment, they were grown on wheat bran. The enzyme activities, the evolution in composition of the substrate, as well as the quantity of pigments produced were assessed. Some data indicated a potential preference for the proteins of wheat bran. Flexirubin, violacein and carotenoids were produced at 0.15, 1?47 and 0.07 mg/L, respectively.The best of these candidates was then selected to optimize its pigment production. It was Chromobacterium vaccinii, a producer of violacein. This strain was grown on the different constituents of plant biomass taken separately. It was showed that it was able to grow on the protein fraction of the plant biomass. Growth and yields in pigments were improved by selecting protein-rich agro-industrial co-products: soybean and rapeseed cakes. Other parameters, such as the addition of a metabolic precursor of violacein, were adjusted to improve production. A maximum of 80.86 mg/L of violacein was reached.In parallel, new pigmented strains were isolated. Some new species were discovered, among them Streptomyces durocortorensis, which was officially recognized as such. In order to find new pigments, a combined OSMAC ("one strain - many compounds") strategy with a bioinformatics prediction of potential metabolites produced was done. Growing some strains on different culture media showed that they could produce different pigmentations. Those pigments were extracted in order to determine their structure.This thesis allowed to explore the microbial diversity in order to know new natural producers able to use co-products, as well as new associated pigments. A better understanding was made of their use of plant biomass. This work gives potential strategies to improve growth and production, and rises also new questions regarding the use of such co-products.